JP4679017B2 - 遠心圧縮機のための渦流除去装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心圧縮機からの半径方向の高速空気流を受け、次いでその空気をエンジンの環状燃焼器に供給するガスタービンエンジンの構成部品に関する。より具体的には、本発明は、ディフューザと密に組合わされ、空気流を半径方向外向き方向からほぼ軸方向へと向け直すベンド内に配置された渦流除去羽根で構成される、コンパクトな渦流除去装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
図１に示すのは、ガスタービンエンジンの遠心圧縮機１０及び環状燃焼器１２である。圧縮機１０は、一般的に、そこを流れるガスを加速し、それによって、ガスの運動エネルギーを増加させるように構成された回転羽根車１４を含む。固定環状ディフューザ１６は、羽根車１４を取り巻き、羽根車１４を出る流体流の速度を低下させ、それによってその静圧を増加させる働きをする。ディフューザは、通常、複数の円周方向に間隔をおいた通路１８を形成する羽根またはパイプの何れかで構成される。各通路１８の断面積は、通常、羽根車１４から出る流れを拡散させるために、羽根車１４の下流で増加している。
【０００３】
羽根型及びパイプ型ディフューザは両方とも、一般的にディフューザ通路１８の下流に移行領域２０を含み、ディフューザ流路を環状燃焼器１２の寸法形状に適合させる。図１に示すように、移行領域２０は、ディフューザ１６からの半径方向外向きの空気流を受け、この空気流を、燃焼器１２の環状入口に向けて後尾方向及びしばしば（図のように）半径方向内向きに向け直す。マニホルド２２は、ほぼ直線的な区域２４で終わり、この直線的な区域２４の内部には、多数の渦流除去羽根２６が環状燃焼器１２の入口のすぐ上流に配置されている。羽根２６は、ディフューザ通路１８から出る流れの高い接線方向の速度成分を、より有用な静圧に変換することによって、ディフューザ１６から出る流れから、残留円周方向渦流を除去する機能を果たす。その結果、渦流除去羽根２６から出て、燃焼器１２に向けられる流れは、比較的弱い渦流、低いマッハ数、及び特定の子午線（「噴出」）角度を特徴とし、それらが合わさってより安定性がありかつ効率的な燃焼性能を達成する。多段遠心圧縮機においては、ディフューザ及び移行領域は、各連続する対をなす段の間で使用され、先行段から出る空気流を、後続段に適したレベルまで減速し、渦流除去することができる。
【０００４】
図１に示すマニホルド２２は、全体として軸対称な自由ベンドを構成しており、２つの（内側及び外側）表面によって境界を定められるベンドも知られているが、この自由ベンドは、１つの（外側）表面によって境界を定められている。マニホルド２２内部のベンドに続く直線区域２４内部の渦流除去羽根２６は、全体的に円錐形の軸対称流路上に配置される。単列の羽根２６を示しているが、２列構成も知られている。一般に、羽根２６は、ベンドの下流で燃焼器１２のすぐ上流、または燃焼器の入口に配置されてきた。
【０００５】
図１に示す型式のディフューザ及び渦流除去装置は、多数の成功したガスタービンエンジンで十分に稼働しているが、性能の一層の改善が常に追求されている。主要な関心は、エンジン性能を低下させる圧力損失を減少させることを達成することである。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、拡散（二次流）及び摩擦による損失が著しく減少される結果として、エンジン性能全体を向上させる、ガスタービンエンジンの遠心圧縮機のための渦流除去装置を提供する。本発明によれば、渦流除去装置は、一般にディフューザから半径方向外向きに流れるガスを受ける形状にされた入口、該ガスを軸方向下流方向に排出する形状にされた出口、及びその間の弧状通路を有する環状マニホルドを必要とする。先行技術の実施形態とは対照的に、本発明の渦流除去装置は、弧状通路の下流の直線区域内部のみに配置するのに代えて、弧状通路のまさに内部に配置され、ディフューザ装置に密に組合わされる複数の渦流除去羽根を設ける。
【０００７】
本発明の渦流除去装置の重要な利点は、エンジン性能を低下させる圧力損失を減少させることである。いかなる特定の理論にもとらわれることを望むものではないが、空気／ガス流をディフューザの半径方向の流れの方向から、圧縮機に要求されるほぼ軸方向の流れの方向へと転向させるベンドの内部に、渦流除去羽根を配置することにより、空気／ガスがディフューザを離れる際の二次流の増幅が減少されるものと思われる。従って、本発明の渦流除去装置は、ベンドによる損失を除去し、接線方向に案内されていないベンドにより生じる可能性がある二次流による損失を減少させるものと思われる。
【０００８】
本発明の別の重要な利点は、空気／ガスが、ディフューザ出口から燃焼器プレナムへと移動する全経路長が短くなり、空気／ガスが接触する全表面積が少なくなり、従って、表面接触損失が減少することである。ディフューザ／渦流除去装置はまた、先行技術の装置よりさらにコンパクトであり、エンジンの重量を著しく軽減することが可能になる。
【０００９】
本発明のさらに別の重要な観点は、渦流除去羽根をディフューザにごく近接させて弧状通路内部に配置することによって、渦流除去羽根をディフューザに密に組合わせることによる、空気力学的利点が得られると判断されることである。例えば、ディフューザ通路に対して渦流除去羽根を円周方向の適切な相対位置に配置することにより、効率の改善を実現することができる。その結果、本発明は、ディフューザと渦流除去装置のインタフェースにより生じる可能性がある損失をさらに最小にするように、ディフューザと渦流除去装置の適合性を最適化することに関して、設計により大きな柔軟性をもたらす。
【００１０】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明によってより良く理解されるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の好ましい実施形態による、密に組合わされたディフューザと渦流除去装置を断面で示しており、他方、図３は、図２で示す装置の部分斜視図である。図１で示した装置と同様に、本発明の渦流除去装置は、羽根１１８を備える固定ディフューザ１１６と共に使用され、羽根１１８は、遠心圧縮機（図示せず）の羽根車からほぼ半径方向に流れる渦流空気またはガスを、ガスタービンエンジン燃焼器（図示せず）の環状入口１１２へと向ける。本発明の渦流除去装置はまた、ディフューザ１１６のすぐ下流に移行領域１２０を含む。図１に示した装置と同様に、移行領域１２０は、環状マニホルド１２２を含み、環状マニホルド１２２は、ディフューザ１１６からの半径方向外向きの空気流を受け、この空気流を、燃焼器の入口１１２に向けて、後尾方向にかつ半径方向内向きに向け直す。マニホルド１２２が、ディフューザ１１６からの流れを、約１３０度から約１４０度の転向角度がより典型的であると思われるが、下は約９０度から上は約１８０度まで転向させることができることは、本発明の技術的範囲内である。ディフューザ１１６は、羽根型の構成を有するものとして説明するが、本発明の教示は、パイプ型のディフューザにもまた適用可能である。
【００１２】
図２及び図３に示すマニホルド１２２は、通常、圧縮機のハブ及びケーシングで構成される、それぞれ１対の半径方向内側及び外側表面１２８及び１３０によって境界を定められる軸対称ベンドを形成する。マニホルド１２２によって、燃焼器に入る流れは、比較的弱い渦流、低いマッハ数、及び特定の子午線（「噴出」）角度の特徴を与えられ、それらが合わさってより安定性がありかつ効率的な燃焼性能を達成する。
【００１３】
多数の渦流除去羽根１２６が、マニホルド１２２の軸対称ベンド内部に配置される。このように、本発明の渦流除去羽根１２６は、図１の先行技術として示した円錐形の軸対称流路内部のような、ベンドの下流の直線区域内部に配置されるとは限らない。羽根１２６は、ディフューザ１１６から出る流れの高い接線方向の速度成分を、より有用な静圧に変換することによって、ディフューザ１１６から出る流れから、残留円周方向渦流を除去する従来の機能を果たす。しかしながら、羽根１２６をベンド内部に配置することによって、羽根１２６は、燃焼器入口１１２に密に組合わされることに加えて、ディフューザ１１６にも密に組合わされることが可能になる。本明細書で使用される場合、「密に組合わされる」という 用語は、間隙が、構成部品組立て、及び干渉無しの運転に必要なだけの間隙にまで減少されることを表すのに用いられる。したがって、図２及び図３に示す羽根１２６は、ディフューザ１１６に密に組合わされ、他方、図１の羽根２６は、ディフューザ１６に密に組合わされていない。
【００１４】
好ましい実施形態において、渦流除去羽根１２６は、マニホルド１２２内部に円周方向に等間隔に配置されている。各羽根１２６の半径方向内側及び外側端縁は、マニホルド１２２の２つの軸対称湾曲表面１２８、１３０と境を接するように図示されている。各羽根１２６の形状は、空気またはガスが、同時にかつ徐々に、大きな渦流角度（それがディフューザ１１６を出る時）を有する半径方向外向き方向から、ほぼ渦流のない子午線噴出方向（それが燃焼器入口１１２へ入る時）へと転向するように、空気力学的に決定される。この目的のために、図４において最もよく解るように、各羽根１２６はまた、渦流の除去を促進するマニホルド１２２内部の弧状のガス流通路表面を与えるように、円周方向に弧状（すなわち、エンジンの中心線に平行な縦方向の線に対して弧状）になっている。各羽根１２６の半径方向高さは、当業者には明らかなように、羽根１２６の特定の弧状形状によって定まるであろう。
【００１５】
図２ないし図４に示すように、各羽根１２６の前縁１３２は、ディフューザ１１６に密に組合わされ、各羽根１２６の後縁１３４は、燃焼器入口１１２に密に組合わされる。このように、羽根１２６の各々は、マニホルド１２２の入口から出口の間のベンドの全長にわたって延びている。図５には、別の実施形態が示されているが、この実施形態では、１つおきの渦流除去羽根１２６は、マニホルド１２２の入口から出口の間のベンドの全長にわたって延びているが、１つおきの渦流除去羽根１２６の間の渦流除去羽根はそのようになっていない。図５に示すように、短い羽根１３６の前縁１３８は、ディフューザ１１６から切り離されており、他方、後縁１４０は、燃焼器の入口１１２に密に組合わされたままである。本発明のこの実施形態の利点は、性能の向上を維持しながら、エンジンの軸方向長さをさらに短縮し、重量を軽減することである。
【００１６】
図６及び図７に、本発明の渦流除去羽根のさらに２つの別の実施形態を示す。図６には、前縁１４４に比較してより厚い後縁１４６を有する渦流除去羽根１４２を示している。加えて、羽根１４２の１つに羽根１４２を貫通する冷却または潤滑管（図示せず）の通路になる孔１４８が形成されており、このことは、本発明の渦流除去装置をコンパクトにする観点から、必要または有利な場合がある。図７もまた、前縁１５２に比較して厚い後縁１５４を有する渦流除去羽根１５０を示している。図６の実施形態と対照的に、羽根１５０の１つは、冷却または潤滑管を受け入れるスロット１５６を備えている。羽根１４２、１５０内部に冷却及び潤滑管を組み込むことによって、より均一な排出条件を達成することができ、圧縮機失速マージンに影響を与えるリスクを一層減少させることができる。
【００１７】
本発明の重要な観点は、渦流除去羽根１２６、１４２及び１５０を、ディフューザ１１６に密に組合わせることにより、空気力学的利点を実現することができることである。本発明のこの特徴から生じる少なくとも１つの利点は、隣接するディフューザ羽根１１８と間の通路に対して、渦流除去羽根１２６、１４２及び１５０を円周方向の適切な相対位置に配置することよって、効率の改善が達成できることである。本発明のこの面の利点は、ベンド全長にわたり延びている渦流除去羽根１２６、１４２及び／又は１５０の数が、ディフューザ通路の数の整数倍である場合、より好ましくは、ディフューザ通路の数に等しい場合に可能であると思われる。ベンド全長にわたり延びている渦流除去羽根１２６、１４２及び／又は１５０の各々が、ディフューザ羽根の１つと円周方向にオフセットしている場合に、エンジン性能が向上することがテストによって確認されている。
【００１８】
図８において、このオフセット量が、ディフューザ羽根１１８及び渦流除去羽根１２６を後方から前方に見た図によって、「Ｃ」で示すエンジンの中心線と共に、概略的に示されている。ディフューザ羽根１１８の外径と渦流除去羽根１２６の内径との間のインタフェースに沿って、ピッチ「Ｐ」の４分の１の間隔で刻みマークが示されている。４分の１から４分の３の間でのオフセット量を評価したところ、テストしたエンジンについては、渦流除去羽根とディフューザ羽根の間のオフセット量が、４分の１ピッチから２分の１ピッチの間、特にほぼ８分の３ピッチの位置にあるとき最適の結果が得られた。所定のエンジンにおける最適のオフセット量は、圧縮機及び燃焼器の設計が異なれば変化する。しかしながら、ディフューザと渦流除去装置の適合性を最適化する本発明の従来にない能力により、ディフューザと渦流除去装置のインタフェースにより生じる可能性がある損失を最小限にすることに関して、より大きな設計上の柔軟性をもたらす。
【００１９】
本発明を、好ましい実施形態及び別の実施形態について説明してきたが、当業者が他の形態を採用し得ることは明白である。例えば、本発明の渦流除去装置は多段遠心圧縮機に使用して、各対をなす隣接段の間に配置することができる。
【００２０】
本発明の技術的範囲は、冒頭の特許請求の範囲のみによって限定されるものであり、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術におけるガスタービンエンジンの遠心圧縮機のためのディフューザ及び渦流除去装置の部分断面図。
【図２】 本発明によるディフューザ及び渦流除去装置の断面図。
【図３】 本発明による渦流除去装置の斜視図。
【図４】 図２及び図３に示す渦流除去羽根の羽根のみの斜視図。
【図５】 図２ないし図４に示す渦流除去羽根に対する別の実施形態の羽根のみの斜視図。
【図６】 図２ないし図４に示す渦流除去羽根に対する別の実施形態の羽根のみの斜視図。
【図７】 図２ないし図４に示す渦流除去羽根に対する別の実施形態の羽根のみの斜視図。
【図８】 図２及び図３に示すディフューザ及び渦流除去羽根の後方から前方に見た図。
【符号の説明】
１１２ 燃焼器入口
１１６ ディフューザ
１１８ ディフューザ羽根
１２０ 移行領域
１２２ マニホルド
１２４ 弧状通路
１２６ 渦流除去羽根
１２８ 半径方向内側表面
１３０ 半径方向外側表面
１３２ 前縁
１３４ 後縁

Claims (10)

1. 遠心圧縮機（１０）からの空気流を受け燃焼器に供給するための、ガスタービンエンジン用の渦流除去装置であって、
   ディフューザ（１１６）から半径方向外向きに流れるガスを受ける形状にされた入口、該ガスを軸方向下流方向に排出する形状にされた出口、及びその間の弧状通路（１２４）を有する環状マニホルド（１２２）と、
   前記弧状通路（１２４）内部にあり前記ディフューザとごく近接した複数の渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）と、
   を含み、
   前記渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）の各々が、前記ディフューザ（１１６）に密に組合わされた前縁（１３２、１４４、１５２）と、前記燃焼器の入口（１１２）に密に組合わされた後縁（１３４、１４０、１４６、１５４）とを備え、前記前縁と前記ディフューザとの間の間隙及び前記後縁と前記燃焼器の入口との間の間隙が、構成部品組立て及び干渉無しの運転に必要とされる間隙だけにまで減少されていることを特徴とする渦流除去装置。
2. 前記渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）は、前記弧状通路（１２４）内部に円周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の渦流除去装置。
3. 前記渦流除去羽根（１２６、１４２、１５０）の少なくとも幾つかは、前記マニホルド（１２２）の前記入口と出口の間の前記弧状通路（１２４）の全長にわたり延びていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の渦流除去装置。
4. 前記渦流除去羽根（１３６）の少なくとも幾つかは、前記マニホルド（１２２）の前記入口と出口の間の前記弧状通路（１２４）の全長にわたっては延びていないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の渦流除去装置。
5. 前記渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）の各々は、前縁（１３２、１４０、１４４、１５２）及び後縁（１３４、１４０、１４６、１５４）を有しており、前記渦流除去羽根（１４２、１５０）の少なくとも１つは、その後縁（１４６、１５４）に、その前縁（１４４、１５２）より厚い部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の渦流除去装置。
6. 前記少なくとも１つの渦流除去羽根（１４２、１５０）の前記部分を貫通する溝部をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の渦流除去装置。
7. 前記マニホルド（１２２）内部の前記弧状通路（１２４）は、２つの軸対称湾曲表面（１２８、１３０）によって形成されており、前記渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）の各々は、前記マニホルド（１２２）の前記湾曲表面（１２８、１３０）に境を接する半径方向内側及び半径方向外側端縁を有していることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の渦流除去装置。
8. 前記ディフューザ（１１６）は、複数のディフューザ羽根（１１８）によって形成された複数のディフューザ通路を含むことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の渦流除去装置。
9. 前記渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）の各々は、前記ディフューザ羽根（１１８）の１つから円周方向にオフセットされていることを特徴とする、請求項７に記載の渦流除去装置。
10. 前記渦流除去羽根（１２６、１４２、１５０）の少なくとも幾つかの前記前縁（１３２、１４４、１５２）は、前記ディフューザ装置（１１６）に密に組合わされており、各渦流除去羽根（１２６、１３６、１４２、１５０）の前記後縁（１３４、１４０、１４６、１５４）は、前記渦流除去羽根（１２６、１４２、１５０）の少なくとも幾つかが、前記マニホルド（１２２）の前記入口と出口の間の前記弧状通路（１２４）の全長にわたり延びるように、前記燃焼器（１２）の前記入口（１１２）に密に組合わされていることを特徴とする、請求項９に記載の渦流除去装置。

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